量子级联激光（QCL）技术用于废水处理工艺优化

    位于德克萨斯州达拉斯的红外传感器技术公司Max-IRLabs近期宣布获得美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation）颁发的第二阶段小型企业创新研究（SBIR）基金75万美元（NSF），用于开发基于量子级联激光（QCL）光源的氨氮传感器，以实时监测市政废水中的氨氮污染物，包括硝酸盐、亚硝酸盐和氨。

图一：污水处理厂|图片来源：pixabay

    此项基金将使Max-IR的ISMIR™（IonSelectiveMaterialsusingInfraredRadiation，基于红外光谱的的离子分析）技术及传感器的开发，并在市政废水处理设施中启动第一阶段现场测试。

    曝气是任何废水处理过程中*的工艺。曝气是指向废水中添加空气，以使天然存在的生物有机体在好氧条件下，对氨氮污染物进行生物降解的过程。但是，曝气步骤实际上是一个耗能的过程，根据Max-IR的说法，它要消耗典型废水处理厂一半以上的电能。因此，废水处理厂迫切需要自动化的传感器，以实现在线过程控制、提高能效并降低运营成本。

    此项目的总体目标是为废水处理过程控制和自动化提供在线传感器，Max-IR所开发的基于QCL的传感器能够实时测量硝酸盐和氨的浓度，对曝气过程进行实时反馈。Max-IR表示，“这项技术每年可能为美国市政废水处理行业节省6亿美元的电能。”更具体地说，对于一个典型的废水处理厂，每年平均可节省的经济价值估计约为20万美元，投资回收期可能仅为6个月。

    在2020的SPIEBiOS研讨会上，Max-IR公司概述了ISMIR™技术，以及该技术如何帮助优化水处理工艺。用于废水处理的传感器面临的最大困难是水对中红外辐射的强吸收。为了克服这个问题，QCL输出的红外激光通过与水接触的波导传输，而不是在水中传输，从而实现消逝波全反射传输机（attenuated totalre flection, ATR）。

    红外吸收光谱技术广泛用于分子基团定性和定量的分析。QCL的引入减少了对振动敏感的笨重的傅立叶变换红外（FT-IR）光谱仪的依赖，使多功能便携式分子分析仪器成为可能。

    Max-IR开发中的氨氮传感器有望实现高动态范围的灵敏度（0.1ppm~250ppm），也可以用于监测污水中的磷和其他有机污染物。未来也可能会用于监测农业施肥径流中的污染物水平——这是水体中最主要氨氮污染来源。Max-IR认为，其所开发的平台技术也可以拓展到类似的传感器，如监测全氟和多氟烷基物质（PFAS），以及生物危害例如大肠杆菌。